精確控制激光的各種特性的能力對(duì)于我們今天使用的許多技術(shù)至關(guān)重要，從VR耳機(jī)到現(xiàn)在用于生物醫(yī)學(xué)研究的顯微成像。來自哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種單一超表面，可以有效地調(diào)整激光的不同特性，包括波長，而無需額外的光學(xué)組件。該研究成果發(fā)表在Nature Communications上。

光的有效轉(zhuǎn)化和整形對(duì)于科學(xué)和技術(shù)至關(guān)重要。如今，現(xiàn)代多功能光學(xué)器件需要多種功能，這在用散裝光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)。相比之下，在更換后者使用Metasurfaces時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)緊湊、輕巧和定制的光學(xué)設(shè)備。Metasurfaces是人工平面超材料，其由亞波長間隔納米結(jié)構(gòu)陣列組成，通常稱為Metaatoms，其可以在局部操縱光的幅度、相位和偏振，以實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)功能，例如鏡頭、結(jié)構(gòu)光、增強(qiáng)型攝像機(jī)和光學(xué)計(jì)算等。然而，電流方法的效率和角度范圍以產(chǎn)生多功能超表面（在圖1A-C中概括）是有限的，因此限制了廣泛的應(yīng)用。目前還沒有在光束整形中具有亞表面靈活性的光學(xué)元件，這也實(shí)現(xiàn)了具有較大差的偏轉(zhuǎn)角的不同功能。

▲圖1. 廣義的超表面概念

a-c. 局部超表面方法�？梢酝ㄟ^將來自不同超表面的單元進(jìn)行交錯(cuò)或利用傅立葉光學(xué)并將每個(gè)函數(shù)所需的幅度和相位分布相加在一起來創(chuàng)建多個(gè)函數(shù)。復(fù)振幅可以用瓊斯矩陣代替以實(shí)現(xiàn)偏振控制（矩陣傅立葉光學(xué)）。由于其單位單元的局部性，這兩種方法對(duì)于大偏轉(zhuǎn)角的效率都很低。c. 局部超表面的亞波長晶胞圖解。d. 將局部實(shí)現(xiàn)的相移與超原子的物理尺寸相關(guān)聯(lián)的亞波長單位單元的傳統(tǒng)超表面庫的示例。e. 傳統(tǒng)的超晶胞超表面基于為單一功能設(shè)計(jì)的超晶胞陣列，例如超晶格光柵。f. 提出的擴(kuò)展超晶胞超表面（SCMS）概念基于每個(gè)位置的相位和極化的獨(dú)立控制，并在每個(gè)階上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的功能。與每個(gè)函數(shù)相關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)通過傅立葉變換與在每個(gè)階上實(shí)現(xiàn)的相位分布相關(guān)。g. 與亞波長單位晶胞不同，超晶胞具有多個(gè)衍射級(jí)，這取決于超晶胞元件之間的耦合。隨著偏轉(zhuǎn)角的增加，這種非局部性變得很重要，并且可以在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格考慮。h. 非局部超胞的多維庫示例。該庫包含所有訂單的每個(gè)可能的相組合的超級(jí)單元。

研究人員的 SCMS 方法概括了以前的方法，它基于排列在離散晶格上的超級(jí)單元，其中每個(gè)超級(jí)單元都是從一個(gè)庫（即超級(jí)單元庫）中選擇的，作為超表面。在局部超表面（圖 1c）中，超原子是亞波長，因此透射或反射的光不會(huì)以多級(jí)衍射，并且超原子的幾何形狀決定了超表面對(duì)光的局部影響。例如，通過在晶格上對(duì)其進(jìn)行離散化，并為每個(gè)位置選擇具有所需相位的元原子來實(shí)現(xiàn)所需的相位分布。相比之下，在 SCMS（圖 1g）中，超級(jí)單元更大，可以在局部視為光柵。超級(jí)胞的大小決定了要考慮的衍射級(jí)的數(shù)量和方向，而超級(jí)胞嵌體可以改變或優(yōu)化，以相互獨(dú)立地控制各個(gè)級(jí)的復(fù)振幅（強(qiáng)度和相位）和極化。

因此，所提議的超級(jí)單元超表面擴(kuò)展的關(guān)鍵思想是，通過在基板上的每個(gè)位置從超級(jí)單元庫中選擇一個(gè)同時(shí)滿足所需相位和幅度的超級(jí)單元，可以在每個(gè)階上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的幅度和相位分布。傳統(tǒng)的超表面庫將超原子的物理尺寸與其局部相位或極化函數(shù)相關(guān)聯(lián)（圖1d）。相反，對(duì)于我們的方法，可以編譯一個(gè)包含超晶格幾何結(jié)構(gòu)列表及其在每個(gè)階上各自的相位和幅度的庫，并且可以使用專用代碼（例如 Reticolo 或 S4）模擬超晶格。 

▲圖2. 多功能波束成形超晶格超表面(SCMS)

多光束超晶格超表面

作為第一個(gè)例子，研究人員展示了一個(gè) SCMS，它將準(zhǔn)直的 s 偏振光束（以 52° 的大角度入射）分成三個(gè)角度差異很大的獨(dú)立光束（圖2）。具體來說，零階仍然是高斯光束，一階彎曲 52° 并成形為貝塞爾光束，第二階以 104° 的角度聚焦，同時(shí)賦予軌道角動(dòng)量 (OAM)，在焦點(diǎn)上形成奇點(diǎn)，訂單的模擬遠(yuǎn)場(chǎng)顯示在同一原理圖中的帶框插圖中。

基于超表面的外腔激光器

最后，研究人員使用這種方法通過實(shí)驗(yàn)證明了基于外腔激光器 (MECL) 的波長可調(diào)超表面。超級(jí)單元反射器設(shè)計(jì)克服了常用 ECL 架構(gòu)的缺點(diǎn)。雖然超表面已經(jīng)被用作腔內(nèi)裝置來獲得軌道角動(dòng)量激光或重定向來自固態(tài)激光器的發(fā)射，或作為它們的增益介質(zhì)，但尚未考慮將它們用于外部激光腔。所提出的超表面反射器相對(duì)于二極管激光源傾斜，將來自激光器的 s 偏振光分成兩束，并在它們上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的光學(xué)功能：一束光束被聚焦回到激光二極管的面上，提供腔反饋并啟用激光操作，而另一個(gè)是輸出光束，可以任意準(zhǔn)直或成形，否則標(biāo)準(zhǔn)超表面或外腔設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的功能�？梢酝ㄟ^相對(duì)于激光二極管移動(dòng)超晶胞-超表面反射器來控制激光波長，而無需改變輸出光束的方向。

▲圖3. 具有發(fā)散 (a-d) 和準(zhǔn)直輸出 (e-l) 的基于超表面的外腔激光器 (MECL)

具有自由形式全息輸出的激光器

最后，研究人員演示了一種設(shè)備，它可以產(chǎn)生任意的全息輸出，而不影響聚焦回激光面的光(圖4)。這也是每個(gè)衍射級(jí)上獨(dú)立的相位控制的一個(gè)證明，這對(duì)于超晶格超表面是可能的。

▲圖4. 用電荷耦合器件照相機(jī)投射和測(cè)量的全息圖

通過具有百年歷史的哈佛盾牌，研究人員展示了可以完全控制激光束的形狀以投射復(fù)雜的全息圖。